中国东部新生代玄武岩中锆石巨晶的Hf同位素组成_丘志力

第50卷 第21期 2005年11月

论 文

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中国东部新生代玄武岩中锆石巨晶的Hf 同位素组成

丘志力①③ 吴福元②* 于庆媛③ 谢烈文② 杨树锋①

(①

浙江大学地球科学系, 杭州 310027; ②

中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029;

③

中山大学地球科学系, 广州 510275. *联系人, E-mail: wufuyuan@)

摘要 中国东部广泛分布着新生代玄武岩, 其中部分地区含有锆石巨晶, 它们可视为岩石圈地幔的组成矿物, 与由地壳物质加入而导致的地幔交代作用有关. 运用配有激光器的多接收等离子体质谱仪

(LA-MC-ICPMS), 对山东昌乐、福建明溪和海南蓬莱地区的锆石巨晶进行了Hf 同位素测定. 除海南地区的个别情况外, 每一地点不同锆石样品的Hf 同位素差别并不明显. 其中山东昌乐地区的176Hf/177Hf 比值为0.28302~0.28308, 福建明溪为0.28297~0.28300, 海南蓬莱为0.28288~0.28293, 所对应的ε Hf 值分别为8.7~10.8, 7.0~7.9和3.9~5.7, 显示不同地区间存在一定的差别, 其Hf 同位素模式年龄均集中在显生宙范围内. 根据上述Hf 同位素特征, 提出中国东部岩石圈地幔的交代作用发生在显生宙, 并极有可能发生在中新生代, 但对岩石圈地幔本身的形成时代, 目前还不能得出确切的结论.

关键词 Hf 同位素 锆石巨晶 岩石圈地幔 新生代玄武岩 中国东部

大陆岩石圈地幔的时代、性质与演化是近几十年固体地球科学的重要研究内容[1~4], 其中同位素地球化学为岩石圈地幔的研究做出了重要贡献. 但是, 和大量 Sr-Nd-Pb-Os 同位素资料相比, 岩石圈地幔的 Hf 同位素研究十分薄弱, 严重制约了对岩石圈地幔的深入认识. 导致这一现象出现的原因是岩石圈地幔样品大多具有较低的 Hf 和高的 MgO 含量, 从而导致化学分离和质谱测定的困难. 但是, 金伯利岩和玄武岩中经常含有的锆石巨晶却为我们开展这项工作提供了可能. 本文将报道山东昌乐、福建明溪和海南蓬莱等地新生代玄武岩中锆石巨晶的 Hf 同位素资料, 并借此讨论中国东部岩石圈地幔的演化.

1 中国东部新生代玄武岩与锆石巨晶

中国东部存在大量的新生代玄武岩(图1), 并含有丰富的地幔橄榄岩包体. 自80年代以来, 国内外科学家对这些玄武岩及其中的地幔橄榄岩包体进行了大量的工作[5,6], 从而为讨论该区岩石圈地幔的形成与演化提供了宝贵的资料. 根据目前的总结[7], 这些玄武岩大约从晚白垩世开始活动, 并一直持续到约200年前. 晚白垩-第三纪期间, 形成的玄武岩主要为拉斑质-碱性玄武岩, 而第四纪多为强碱性玄武岩. 在碱性-强碱性玄武岩中, 大多含有大小不等的地幔包体, 如五大连池、牡丹江、汪清、蛟河、龙岗、双辽、宽甸、平泉、栖霞、昌乐、女山、明溪、麒麟和

海南岛等地.

在上述新生代火山中, 山东昌乐、福建明溪和海

南蓬莱等地产有开采价值的锆石和刚玉巨晶[8~10]. 此外, 江苏盱眙和黑龙江牡丹江-穆稜地区也有少量锆石巨晶产出[11~14]. 这些锆石巨晶一般分布在新生代火山岩区内的第三纪或第四纪的坡积物或洪积物中, 少数可见其直接产在火山岩及其风化物中[8,14,15], 因而被认为与火山岩关系密切. 与锆石巨晶共生/伴生的其他巨晶矿物有辉石、橄榄石、石榴石、尖晶石、磁铁矿、钛铁矿及歪长石等. 在山东昌乐地区, 锆石巨晶赋存在第三纪碱性橄榄玄武岩中, 玄武岩本身为斑状结构, 斑晶由橄榄石和单斜辉石组成, 基质主要由斜长石微晶和少量玻璃质组成. 岩石具气孔状、杏仁状构造, 气孔多为不规则状, 被方解石、绿泥石和沸石类矿物充填后形成杏仁体. 玄武岩中同时还含有大量二辉橄榄岩和辉石岩等地幔包体, 并与刚玉、石榴石巨晶等巨晶伴生.

福建明溪的锆石巨晶主要分布在新生代火山岩周围的古河床、沙滩及阶地中. 尽管到目前为止还未发现原生矿(点), 但由于锆石巨晶与蓝宝石及镁铝榴石、辉石等密切伴生, 而镁铝榴石和辉石等矿物在周围新生代火山岩中广泛出现. 因此, 锆石巨晶的出现与区内火山岩成因关系密切. 根据目前的调查[10], 该区的新生代火山机构有数十个之多, 总面积约有20 km 2. 火山岩岩石类型包括火山碎屑岩和火山熔岩两大类, 其中熔岩根据其矿物组成和结构又可分为玻基辉橄岩、橄榄玄武岩、辉石橄榄玄武岩、安山玄武

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岩、辉橄及橄辉玄武岩以及少量的拉斑玄武岩. 刘若新[7]获得的该地区火山岩的喷发时代为0.72~4.96 Ma, 且大部分大于3 Ma. 但Ho 等人[16]获得的年龄仅为1.2~2.2 Ma, 两者略有不同. 该区的火山岩普遍包含石榴石二辉橄榄岩、尖晶石二辉橄榄岩和石榴石单辉岩等地幔岩包体. 目前对该区的新生代火山岩及地幔包体有大量研究成果[17~21], 是中国东部新生代玄武岩研究程度较高的地区之一.

海南岛北部的新生代玄武岩也有较多的研究积累[22~25]. 该区火山岩包括粗玄岩、辉石橄榄玄武岩、橄榄辉石玄武岩和碱性橄榄玄武岩及火山碎屑岩, 其喷发发生在新第三纪[15]. 在这些火山岩中, 含有丰富的二辉橄榄岩和橄榄辉石岩包体[22,25], 此外还含有橄榄石、辉石、长石、钛铁矿和钛磁铁矿等捕获晶.

2 样品特征与分析方法

中国东部新生代火山岩有关的锆石巨晶颗粒巨大, 粒径一般为数毫米不等, 其中福建明溪最大的锆石巨晶单颗重达512 g, 蓬莱和昌乐锆石巨晶的粒径可达16 mm. 锆石巨晶一般透明-半透明, 少数颜色较深者不透明. 亚金刚光泽, 颜色包括灰褐色、褐红色、无色、浅黄色、黄色等, 其中昌乐和蓬莱样品一般呈褐红-浅褐红, 明溪样品较多为无色或浅褐红色. 巨晶形态呈不规则粒状或次棱角状、浑圆状、短柱状、四方双锥状, 表面常见熔蚀和(或)磨蚀现象. 多数锆石晶形不完整, 约10%~15%的锆石呈四方柱{100}, {110}与四方双锥{111}, {211}等单形组成的完整聚形; 其中四方柱{100}是最发育的单形, 个别颗粒四方柱{100}和四方双锥{111}同样发育. 锆石巨晶在光学显微镜下显示均匀结构, 但在阴极发光下大部分颗粒显示明显的生长环带(图2), 部分颗粒出现不规则核心, 而并不出现环带结构. 蓬莱两个样品5个点的LA-ICP-MS 稀土元素分析显示(图3), 锆石巨晶具有明显的Ce 正异常、无或弱Eu 异常和HREE 富集的特征. 其高的重稀土元素含量与金伯利岩中的锆石有所差别, 但与地壳来源岩石中锆石的成分有所类似

[26]

. U-Pb 同位素测定发现, 这些锆石巨晶只含

有微量的放射性成因Pb, 因而具有非常年轻的U-Pb 年龄.

本文共选择上述三个产地基本透明的16颗锆石巨晶进行 Hf 同位素的测试. 测试前先将锆石巨晶切开为两半, 对其中一块精细抛光, 然后进行阴极发

图1 中国东部新生代玄武岩分布图

光照相、电子探针成分分析和微量元素成分测试. 锆石Hf 同位素测试在中国科学院地质与地球物理研究所Neptune 多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC- ICPMS)和193 nm 激光取样系统上进行, 分析时激光束直径为63 µm, 激光剥蚀时间约26 s. 分析中所用的激光脉冲速率为6~8 Hz, 激光束脉冲能量为100 mJ. 仪器的运行条件及详细的分析过程可参见[27]. 测定时用锆石国际标样91500作外标, 本次实验测定